坝下深埋涵荷载应力分析计算与研究

赵万强，柴 扬，曹 凯

(吐鲁番市水利水电勘测设计研究院，新疆 吐鲁番 838000)

常见涵洞工程的规模相对较小，结构形式较简单，对涵洞的设计多采用定型设计的方式以减小设计工作量。但对于特殊工程项目如涵洞结构尺寸较大，且是坝下深埋涵，涵上回填土有特殊压实要求。坝下深埋涵荷载应力分析计算从浅层填土与深层填土对埋涵荷载应力分析计算分为两个阶段进行分析计算，总结了深埋涵上层填土形成塌落拱效应对埋涵荷载应力分析的简化。当上层填土H≤1.5洞径，且小于3m时，计算埋涵荷载应力时上埋式涵洞土压力计算，当上层填土H≥1.5洞径，且不小于3m时，计算埋涵荷载应力时采用塌落拱效应理论计算，其形成的塌落拱效应对涵洞起到支承保护作用。

结合代表性工程实例对坝下深埋涵结构应力分析计算的不同阶段选择及其优化方法进行研究给出建议，对节约工程造价优化结构意义重大。

1 工程概况

柯柯亚二库工程位于新疆吐鲁番境内，位于柯柯亚河床中游的戈壁河谷区，是一座小(1)型拦河式水库，河谷宽600～900m，库区成“U”形，库区出露的岩性主要为第四系上更新统冲洪积砂卵砾石。由于特殊的地质条件，本工程导流放水建筑物，灌溉兼泄洪放水洞采用坝下埋涵。

涵洞尺寸为3.5m×4m(宽×高)，最大坝高27.1m，上层填土最大埋深23.1m。填坝料为级配良好的连续性级配料，最大粒径不超过80mm，小于5mm的颗粒含量控制在30%～50%之间，填料的内摩擦角为39°，压实后相对密度为Dr≥0.8。

2 坝下深埋涵荷载应力分析计算

2.1 坝下深埋涵外部荷载组成

根据现场施工情况，依据填坝料的颗粒组成及压实后相对密度为Dr≥0.8的要求，现场碾压试验最终确定每层填筑0.8m，采用60t自行式振动碾静碾2遍动碾4遍，满足设计压实指标。有上述综合因素确定埋涵计算外部荷载组成及参数详见表1。

2.2 埋涵荷载应力分析计算方法

根据工程的特殊性及复杂性，拟定上埋回填土为Ⅴ类砂砾石下部埋涵。综合采用了上埋式涵洞垂直土压力计算及塌落拱理论计算土压力。依据工程经验及理论试算总结了深埋涵上层填土形成塌落拱效应对埋涵荷载应力分析的简化。当上层填土H≤1.5洞径，且小于3m时，计算埋涵荷载应力时上埋式涵洞土压力计算，当上层填土H≥1.5洞径，且不小于3m时，计算埋涵荷载应力时采用塌落拱效应理论计算，其形成的塌落拱效应对涵洞起到支承保护作用。

2.2.1上埋式涵洞垂直土压力计算(当上层填土H≤1.5洞径，且小于3m时)

上埋式涵洞单位长度洞顶的垂直土压力强度标准值计算公式为；

qt2=KSγHd

(1)

式中，qt2—洞顶垂直土压力强度标准值，kN/m；

表1 埋涵计算外部荷载组成及参数

表2 塌落拱效应理论计算

Hd—洞顶以上填土高度，m；γ—洞顶填土重度，kN/m3；Ks—垂直土压力系数。

2.2.2塌落拱效应理论计算(当上层填土H≥1.5洞径，且不小于3m时)

坍落拱理论指出了洞室开挖后，围岩经过坍塌自身将会建立起新的平衡，这就正确地描述了围岩的自承作用。根据这一点，人们很自然地想到，洞室开挖后只要支护结构物能把坍落拱范围内可能坍塌下来的全部岩块的重量支承住，使之不落入洞内，即能保证地下洞室的安全使用。因此在设计地下结构物时，只须取坍落拱范围内的那部分岩石的重量作为荷载就可以了。包里索夫等人从层状岩体坍落后出现的块体平衡出发，认为在层状围岩中坍落拱的形状为一梯形，如图1所示，其高度计算公式为：

h=(h1+Lsinα)×cosα

(2)

式中，h—塌落拱高度，m；L—洞室跨度，m；α—层面倾角。

图1 坍落拱的形状

(3)

式中，ζ—压缩蠕动系数，可取ζ=0.5～0.7；hi—层厚，即层面间距，m；n—承载能力安全系数，可取n=4；δn—抗压强度，N/cm2；γi—岩体容重，t/m3；δ—冒落边界与层面间的交角，根据实验资料，对坚硬裂隙性岩石当沉积深度不大和中等时，这个倾角δ等于60°～80°，计算结果见表2。

3 结语

坝下深埋涵越来越多的应用于实际工程，坝下深埋涵上层土压力及算一直存在争议及探讨。若坝下深埋涵直接用上埋式垂直土压力计算荷载较大影响工程投资，通过上述方法理论试算总结了深埋涵上层填土形成塌落拱效应对埋涵荷载的减少。利用上埋式涵洞土压力计算与塌落拱效应理论计算，相结合的方式，深埋涵上部其形成的塌落拱效应对涵洞起到支承保护作用。不仅节省工程投资且可以优化工程方案，凭着不破不立、与时俱进的思想，提出个人的一些看法，希望对工程实际有所帮助。